粉末冶金

粉末冶金（Powder metallurgy），是一种以金属粉末为原料，经压制和烧结制成各种制品的加工方法。粉末冶金工艺包含三个主要步骤，首先，主要组成材料被分解成许许多多的细小颗粒组成的粉末；然后，将粉末装入模具型腔，施以一定的压力，形成具有所需零件形状和尺寸的压坯；最后，对压坯进行烧结。粉末冶金零件生产工艺的本质性优势是，具有零件最终成形能力和材料利用率很高。虽然所有的金属都可以制成粉末，但在实用性与经济性考量下，常用作此项用途者有铁与铜。其中，黄铜（铜与锌合金）与铁多用于各种机件的制造，青铜则常用于多孔性轴承的制造。由于金属的物理与化学性质不同，制造粉末的方法也不同，所得的颗粒大小、形状也不相同，常见的制造方法有：用于镁及其合金，因镁易燃，以切削方式加工时便于冷却。所得的颗粒大。包括使用轧碎机、旋转滚磨机及捣碎机等，可用于脆性材料（以压轧或撞击方式），作成不规则颗粒；亦可用于延性材料，以制造油漆颜料的片状颗粒。用于低熔点的金属，如铅、锡、锌等，将之加热到熔融状态，再以喷漆原理在气流中喷射成极细的微粒。将金属加热到熔融状态，并于凝固成固体时，加以搅拌，成为小颗粒状。使用粉状的金属氧化物，在熔点下与还原性的气体接触，直接得到金属粉末，例如铁粉的制造。用于铁、银、钽及若干金属粉末；系以钢板置于电解液中，作为阳极，不锈钢作为阴极，通电后铁粉沉积在阴极上，经剥下电积铁粉，再予以冲洗、过筛、分成各种粗细，而后再予以退火软化。所谓“预制合金粉末”系指合金粉末是用完全熔化的合金来制成，以不锈钢或各种高等合金为例，若以纯金属粉末来混合，将无法达到预期的效果（因纯金属混合时，烧结温度系在熔点以下，无法使纯金属变成合金），故先制成合金后，再制成粉末。将金属粉末通过敷层金属的蒸汽，使表面凝聚一层敷层金属，这种金属粉末即称之为“预敷粉末”，此粉末在烧结后，可使制品具有此一敷层金属的特性。将粉末送入模中加压成形前，必须慎选粉末，以使制品达成经济性要求，并且在压实后，可以得到所要的性质。当仅使用一种粉末时，只要颗粒大小及分布适当，即可送入模中加压成形。当为增加粉末流动性或密度，必须掺入不同尺寸的粉末颗粒时，混合粉末常加入润滑剂（如硬脂酸、硬脂酸锂或粉末石墨），以减少粉末间的相互粘著，并降低压制时模壁的磨擦阻力，使成品易于脱模；可是，润滑剂的加入，却会使产品在烧结后，容易出现孔眼。常见的成形法有：压制是将混合妥当的定量粉末置于钢模内，用每平方吋数千磅到二十万磅的压力，在模中压制成形的方法。其中，压力的大小则依粉末的性质而异，对于软质（可塑性高）的粉末而言，不需要太高的压力，则可使其互锁而得到颇为密实，且具有适当强度的压制件；对于脆性、高硬度的粉末而言，则需要较高的压力。压制法所使用的压力机，可分成：模子与冲头间的配置方式，则可分为：至于冲头的行程，全视粉末的压缩比而定。离心压制法在操作上，系将金属粉末置于模内，在高速旋转下，产生离心力，并作用在每一个金属颗粒上，以压制重金属粉末（如碳化钨等工具材料）。此法仅适用于形状简单，断面均匀的小制品。将金属粉末与一种浆质材料混合后，注入石膏模中，利用石膏的多孔性，吸收多余的液体，使浆中的粘性物质及金属粉末留在石膏模内，成为类似普通铸造法的铸件。此法类似陶瓷的造形法，当用于中空件时，可在混合浆质于靠近石膏模面粘结到适当厚度时，将多余的浆液倾出，留下一层壳式的粘结件。用于以金属粉末制造长条形的制品或型材时，如核能固体燃料棒及其他高温金属。可依材料性质分成：用于化学工业中的过滤用多孔性金属板的制造，其方法为：将金属粉末均匀分布在陶瓷盘上（厚度依需要而定），然后在分解的阿姆尼亚气体中，以高温烧结之；其过程中未加上其他压力，仅是靠高温可塑状态下的重力结合之。烧结后的金属板，可再施行滚轧，以控制厚度，并增加表面光平度。将金属粉末置于模中，以液压或气体直接加压在金属粉粒上；由于各处所受的压力均相同，因此，制品的密度甚为均匀，且各方强度均一。右图所示为一中空筒形压制胚等压模造形装置的切面图。将金属粉末自漏斗中漏落于两个辊子之间，借由滚轧的压力，使粉末互相锁成板片状，然后再送到烧结炉中烧结。烧结后，可再送到滚轧机滚轧，以控制其厚度，增加表面光平度，必要时，亦可进一步作热处理。此法可作连续性操作，宜于大量制造。以爆炸的爆炸力来压制粉末的生压件（压胚），由于爆炸的压力非常高，可使可塑性低的金属产生极高的密度及互锁强度，缩短烧结时间，降低因烧结而产生的收缩率。其中，爆炸的压力可借由推动柱塞来推动，以压缩粉末，亦可经由防水袋的设计，传递压力给粉末。先将极细的金属棉或线，切成一定的长度，成为金属纤维，各纤维予以弯曲，互相嵌扭作成乱线状，并与一种液体糊状物混合，浇注多孔性的底盘上，待液体漏尽，即形成乱线一样的金属纤维所组成的‘席子’，然后加压并烧结之；或再施以滚轧或以对压模压紧，以增加密度。将生压件加热到适当的温度，以增加其机械强度及硬度的操作，称之为烧结。烧结的过程中，晶粒界面首先成形，进而造成晶粒的再结晶，而高温使金属的表面的可塑性提高，并建立一层液体的网组织，可改进相互间的机械互锁性质；另外，金属中溶解的气体，亦可在高温下被驱除净尽。至于烧结的温度，则通常都在主要组成金属的熔点之下，而烧结时间，则约在 20－40 分钟之间，此外，烧结的过程中，为避免粉末与大气接触而氧化，可使用还原性蒙气或氮气，以阻止高热时形成有害的氧化层。此外，生压件烧结后，因制品形状、颗粒大小与分配、化学组成、烧结操作情形、压力大小等因素，使尺寸或有增长或缩短的稍微差异。热压法是将粉末的加压与烧结同时在一个模子内完成的加工法，常用于碳化钨工具材料的制造。此法具有提高制品强度、硬度、精密度等优点、但因加热是在加压的同时进行，因此，所使用的模子必须是耐热材质，且加热蒙气及时间长短不易控制；另外，在处理高温合金时，必须使用石墨模，但由于石墨模的强度甚低，仅能使用一次，消耗量颇大。火花烧结法也是加热与加压同时在一个模子内完成的烧结法，只不过加热方式与热压法不同，且所需的时间也甚为短暂，颇似照相用闪光灯一般，通常约为 12－15 秒，而所得的制品颇为密实。其中，加热的过程系先将直流电能储存在电容器内，于烧结时放电，产生高能量的火花（约 1－2秒），先将粉末表面的不纯物去除，火花之后，可产生新的结晶，然后在压力之下，使颗粒间更为密实。此法除可用于碳化物等高温金属的烧结外，亦可用于铝、铜、青铜、铁及不锈钢等。渗油处理系将烧结的轴承，浸入润滑油中加热，并且维持相当的时间，或真空处理（时间可以缩短）；此时，轴承借由多孔性的毛细管作用，吸存润滑油，并于转动时释出。系指将低熔点的熔融金属渗入多孔性的烧结制品中，以减少孔隙体积，增加机械强度。金属在渗入之前，可先作化学处理，以增加渗入范围。系将烧结物放置在与压模相似的模内，再压一次，以得到正确尺寸或面层花纹。此方法属于冷加工，具有增加表面层硬度、光平度、尺寸精度与密度等特点。由于粉末冶金制品的密实程度不及实体合金，因此，热处理的效果较差（因多孔性有碍热传递），但实施热处理有助于改进其机械性质。高密度的模压件，可直接实施普通标准方式的电镀，但中低密度的模压件，必须以珠击法（Peening）、擦光法（Burnishing）或塑胶树脂渗入法以封闭面层的孔隙，再能实施普通标准方式的电镀。 注意：不可使用盐类渗入，以免在电镀时起泡。对于螺孔、沟槽、挖切或侧孔等无法在模中压制出来者，仍须以传统的机器切削之，而所使用的切削工具，以碳化钨材质为宜，所使用的冷却剂，则必须避免使制品锈蚀。